JP7071552B2 - 銅合金、銅合金の使用、及び水栓金具を生産する方法 - Google Patents

Description

本発明は、銅合金、付加製造プロセスに対応する銅合金の使用、対応する銅合金で作製されたハウジングが取り付けられた衛生器具、及び衛生器具を生産するための方法に関する。衛生器具は、シンク、洗面台、シャワー、及び／又は浴槽で、例えば水等の液体を需要に基づいて提供するために、特に使用される。

衛生器具は通常、ハウジングを有し、このハウジングを通して液体をパイプ及び／又は通路によりハウジングの吐出口まで導くことができる。更に、例えば少なくとも１つのレバー及び／又は少なくとも１つの（回転式）ハンドル等のアクチュエータが、通常はハウジング上に位置付けられており、それを用いて、液体の温度及び／又は液体の流量を制御することが可能である。このために、例えば少なくとも１つの混合弁及び／又は少なくとも１つの温度調整混合弁が、ハウジング内に配置されてもよい。衛生器具のハウジングは、プラスチック及び／又は金属で作製することができる。金属で作製されたハウジングの場合、特に銅合金又は黄銅材料が使用され、これはハウジングをキャストプロセスにより生産できることを意味する。ハウジングのデザイン又はレイアウトは、使用されるキャストプロセスに適切でなければならず、その結果、デザイン又はレイアウトの自由度が制限される。

現在、付加製造プロセスの使用を通して、衛生器具のそのようなハウジングの自由度を増大することが望まれている。付加製造プロセスにより、ハウジングは、基部上に層ごとに構成することができ、流動可能な出発材料が指定位置に堆積され、次いで凝固する。付加製造プロセスを通して対応するハウジングを大量生産するには、特に経済的な懸念も含まれる場合、材料を適合させることが必要であり、その理由は、この目的でこれまで使用された銅合金及び黄銅材料は高い熱伝導度及び高い融点によりこのタイプの製造プロセスに十分に適切ではないからである。

したがって本発明の目的は、少なくとも部分的には、従来技術に関して記述される問題を解決することであり、特に、より低い熱伝導度及びより低い融点を持つ銅合金を特定することである。更に、対応する銅合金に関して有利な可能性ある用途を特定することも、目的である。追加の目的は、そのハウジングが、より低い熱伝導度及びより低い融点を持つ銅合金で作製された、衛生器具を特定することである。更に別の目的は、より低い熱伝導度及びより低い融点を持つ銅合金で作製されたハウジングを備えた衛生器具を生産するための方法を特定することである。

これらの目的は、独立請求項の特徴による、銅合金、銅合金の使用、衛生器具、及び衛生器具を生産するための方法により実現される。本発明の追加の有利な実施形態は、従属請求項で特定される。請求項で個々に特定された特徴は、所望の任意の技術的に有用な手法で互いに組み合わせることができ、したがって本発明の追加の実施形態を定めることができることに留意すべきである。更に、請求項で特定される特徴は、本発明の追加の好ましい実施形態について記述することにより、本記述でより正確に述べられ且つ詳細に説明される。

特定の質量分率の下記の元素：
－ ４６％から５３．５％の銅（Ｃｕ）；
－ ０％から１．０％のアルミニウム（Ａｌ）；
－ ０％から１．４０％の鉛（Ｐｂ）；
－ ０％から０．２％の鉄（Ｆｅ）；
－ ０％から０．４％のスズ（Ｓｎ）；
－ ０％から０．０００２％のホウ素（Ｂ）；
－ ０％から０．２％のヒ素（Ａｓ）；及び
－ 残部としての亜鉛（Ｚｎ）
－ 任意の該当する汚染物質
を有する銅合金が、本明細書に記載される。

銅合金は、銅及び亜鉛に加え、０％よりも高い割合で存在するその他の前述の元素のうち少なくとも１種、２種、３種、４種、５種、又は６種があるように選択されてもよい。

その他の前述の元素の大部分は、０％よりも高い割合で存在することが好ましく、特に鉛及び／又はヒ素を除く全てが存在することが好ましい。

銅及び亜鉛の他に存在する元素は、合計で２．５％を超えないことが可能であり、好ましくは２．５％以下、又は更に１．０％以下である。

銅及び亜鉛の次に、アルミニウム元素が最大質量分率で存在することが可能である。

銅及び亜鉛の次に、鉛元素が最大質量分率で存在することが可能である。

鉄及びスズは、ほぼ同じ質量分率を有することが可能である。

ヒ素及び鉛は、ほぼ同じ質量分率を有することが可能である。

例えば、この銅合金は、元素に関する下記の範囲の仕様：
－ ４６％から５１％の銅（Ｃｕ）；
－ ０．４％から０．５１％のアルミニウム（Ａｌ）；
－ ０％から０．８５％の鉛（Ｐｂ）；
－ ０．０５％から０．０８％の鉄（Ｆｅ）；
－ ０．１％から０．１８％のスズ（Ｓｎ）；
－ ０％から０．０００２％のホウ素（Ｂ）；
－ ０％から０．１５％のヒ素（Ａｓ）；及び
－ 残部としての亜鉛（Ｚｎ）
のうち少なくとも１つ又は好ましくは全てを有するように選択されてもよい。

適用可能な場合には、銅合金は、不可避の残留量のその他の元素（例えば、汚染物質）、例えばチタン（Ｔｉ）、ビスマス（Ｂｉ）、及び／又はアンチモン（Ｓｂ）を含んでいてもよく、これらは、合計で最大０．２５％に制限され又は個々に最大０．０２％に制限される。

本明細書で与えられる範囲の銅合金は、合金化成分の合計が１００％であるように選択されるべきであることが、明らかである。

この銅合金は、キャストプロセス及び／又は付加製造プロセスで使用するのに適切である。付加製造プロセスは、付加製作、付加製造（ＡＭ）、又は３Ｄプリンティングを含む。付加製造プロセスでは、３次元データモデルを、化学的及び／又は物理的プロセスを用いた特に非晶質材料からの、例えば（金属）粉末等からの製作の基礎として使用する。合金は特に、粉体層プロセスにおけるいわゆる選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）に適切であり、粉末形態の加工された材料が薄層として基板に付着され、レーザ照射により局所的に溶融する。凝固後、溶融した材料は固体材料層を形成する。次いで基板を、１つの層の厚さに等しい量だけ低下させ、粉末形態の材料を再び付着させる。このサイクルを、全ての層が融合するまで繰り返す。完成した部分から過剰な粉末を取り除き、更に機械的に加工し且つ／又は仕上げる。

衛生器具用の公知の銅合金は、特に、約３９％の亜鉛、約３％の鉛、及び残部としての銅を含む（本文書における全てのパーセンテージは、質量パーセントを指す）。公知の銅合金と比較すると、提示された銅合金は、より低い銅含量及びより高い亜鉛含量を有し、アルミニウム及び鉄の調節された質量分率を有する。より低い銅含量、より高い亜鉛含量、及びホウ素を通した微粒化の厳しい制限又は回避の結果、銅合金の融点（キャスト温度及び溶接温度：約８９５から９３０℃）及び熱伝導度が低減される。その結果、付加製造プロセスが可能である安定な溶融物が作製される。亜鉛の沸点付近の加工温度は低下し（９０５℃）、銅合金の加工中の亜鉛の蒸発を急激に低減させる。その結果、銅合金は、選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）に特に適切である。合金のアルミニウム及び鉄成分は、特に、銅合金を安定化させる働きをする。キャストプロセスによる銅合金の加工では、更に、銅合金が粗粒状態で凝固し、公知の銅合金若しくは黄銅よりも高い強度を有し、且つ／又は応力腐食割れに関してより安定である。更に、材料コストは、銅含量を亜鉛含量にシフトさせることによって低下させることができる。

銅合金は、０．１２％（を超える）から（最大で）０．８５％の鉛（Ｐｂ）を有することができる。したがって銅合金は、より高い強度及び有利な粒の幾何形状を有する。より高い強度及び有利な粒の幾何形状は、特に、機械加工中に良好なチップ割れをもたらす。

銅合金は、０％（を超える）から最大で０．１２％の鉛（Ｐｂ）を有することができる。この性質の低鉛銅合金は、更に高い強度及び更になお有利な粒の幾何形状を有する。例えば、そのような銅合金が使用される場合、強度を、最大で０．８５％の鉛を持つ銅合金に比べて更に増大させることができる。実現可能な粒の幾何形状は、銅合金を粉砕及び研磨に十分適したものにするという結果をもたらすことができる。

銅合金は、０％の鉛（Ｐｂ）を有することができ、適用可能な場合には更に鉛を、最大含量が０．０２％である汚染物質の範囲内で、有することができる。この性質の鉛フリー銅合金は、更になお増大した強度を有し、特に銅合金を、衛生器具の薄壁ハウジングに適切なものにする。衛生器具の薄壁ハウジングは、例えば５．０ｍｍ［ミリメートル］未満、特に３．０ｍｍ未満、又は更に２．０ｍｍ未満の壁厚を有し、それによって壁厚は、安定性を理由に０．５ｍｍよりも薄くなるべきではない。例えば、０．２２％未満又は更に最大０．１２％の鉛を持つ銅合金が使用される場合の強度は、鉛が０％の銅合金に比べて更になお増大させることができる。

更に、銅合金は０％のヒ素（Ａｓ）を有することが有利であり、適用可能な場合には、最大含量が０．０２％の汚染物質の範囲にある鉛であっても有利である。

更に、銅合金が０．０２％（よりも高い）から０．２％、又はわずか０．１５％までのヒ素（Ａｓ）を有する場合が有利である。ヒ素（Ａｓ）を合金に添加すると、腐食を通した銅合金の脱亜鉛化が大幅に低減され又は防止される。その結果、銅合金は、耐脱亜鉛化性又は脱亜鉛化耐性（“ＤＲ性”）を有する。更にヒ素（Ａｓ）は、単相及び粗粒構造を作製する。

従来の銅合金との差、特に衛生分野における差は、ミクロ構造によって実証することができる。特に、（キャスト）銅合金及び／又はそれから形成された衛生器具ハウジングは、ほぼ完全に単相化されたミクロ構造を有する。

銅合金は、大半が、ほぼ完全に、又は更には純粋に、β相で形成することができ、ｂｃｃ格子（ｂｃｃ：“体心立方”；立方空間中心（ｃｕｂｉｃ ｒｏｏｍ－ｃｅｎｔｅｒｅｄ））を有することができる。このミクロ構造は、比較的大きい粒度によって特徴付けることができる。

下記の銅合金は、特に有利であることが証明された：

下記の銅合金を、下記の性質に関して具体的に評価した：

下記の性質の少なくともいくつかを評価した：キャストに対する適切性、ＳＬＭに対する適切性、熱伝導度、亜鉛蒸発、強度、耐腐食性、応力腐食割れ、チップ割れ特性、粉砕に対する適切性、薄壁ハウジングに対する適切性、応力割れに対する耐性、耐脱亜鉛化性、硬さ。

直径６０ｍｍの円筒状試験片をキャストして、硬さを決定した。これらに関して、硬さは、錐体及び荷重４０ｋｇｆでビッカースに従い決定した。

合金化元素の適切な選択により実現することができる、提示された銅合金の下記の（意外な）性質が特に強調される：
－ 製品の製造プロセスは、より高い銅含量を持つ合金と比較してより低い溶融温度に設定することができるので、かなり少ないエネルギーで実施することができる。したがって例えば、溶融温度は、９３０℃～１，０４０℃の範囲、更に９３０℃以下、又は更に約９００℃に低下させることができる。
－ 低い鉛含量にも関わらず、（切断）仕上げは、望ましくないスパイラルチップが回避されるように実施することができる。追加の水冷は、この目的に有利であり得る。
－ 提示された銅合金の耐腐食性は、張力下にあっても、より高い銅含量を持つ合金に比べて少なくとも維持することができる。耐脱亜鉛化性に関しても、低下は受け入れられない。
－ 全ての予測とは対照的に、提示される銅合金のキャスト性は、より高いパーセンテージの銅を持つ合金に比べて改善することができる。
－ より高い割合の銅を持つ合金に比べ、より大きい粒をミクロ構造内に固定することができ、それによって単相構造が存在する。このことにより、硬さ及び／又は引張り強さ（Ｒｍ）を改善することが可能になる。例えば、１５～２０パーセントの引張り強さ（Ｒｍ）の増大を、実現することができる。
－ 最大３０パーセントの増大の、より高い割合の銅を含む合金と比較したときのより高い硬さを、実現することも可能である。したがって、本明細書で提示される銅合金で、少なくとも１００ＨＶ又は更に少なくとも１１０ＨＶ又は約１２０ＨＶの硬さを実現することが可能である。

銅合金が粉末形態にあり且つ５μｍ（マイクロメートル）から１，５００μｍの粒径を有する場合、特に有利である。粒子はこの場合、特に球形及び／又は多面体形状を有する。粒径は、特に、銅合金の粒子の平均直径に関する。５μｍから３０μｍの粒径は、充填構造（ｆｉｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ）、高密度末端構造、着色添加剤、ミクロ構造、プリンティング中のミクロ合金化、伝導度の生成、触媒物質、２成分系、腐食防止剤、抗菌材料、防音材料、及び／又は断熱材に、特に適切である。３０μｍから７０μｍの粒径は、特に、成形された構造、中密度末端構造、支持構造、２成分系、防音材料、及び／又は断熱材に適切である。７０μｍから１，５００μｍの粒径は、マクロ構造、多孔質から中密度の末端構造、スクリーン構造、フィルタ構造、開放構造、粗い充填構造、支持構造、２成分系、３成分系、防音材料、及び／又は断熱材に、特に適切である。

本発明の別の態様によれば、本明細書で特定される銅合金の使用は、付加製造プロセス、特にＳＬＭプロセス用に提示される。

本発明の別の態様によれば、本明細書で特定される銅合金で少なくとも部分的に作製されるハウジングを備えた、衛生器具が提示される。

本発明の別の態様によれば、衛生器具を生産するための方法であって、衛生器具のハウジングが、本明細書で特定される銅合金で少なくとも部分的に製造される、方法が特定される。ハウジングの製造は、キャストプロセス又は付加製造プロセスによって実現される。

特に、本明細書で特定される銅合金、特に純粋な単相（β相）を含む銅合金の使用が、キャストプロセスを用いて又は生産力のある製造プロセスによって（特に薄壁の）衛生器具又はその部品を製造するために提示される。

本発明及び技術的背景について、図を参照しながら以下に説明する。図は、本発明の特に好ましい種々の実施形態を示すが、本発明はそれらに限定されないことに留意すべきである。

図１は、その内部を水が通って吐出口３に至ることができるハウジング２を備えた、衛生器具１を示す。水の温度及び水の放出体積は、ハウジング２上に位置付けられたレバー４を用いて制御することができる。ハウジング２は、提示された銅合金で、少なくとも部分的に作製される。

図２は、公知の銅合金（図２Ａ）及び本明細書に提示される銅合金（図２Ｂ）の異なるミクロ構造を、例として示す。図２Ａは、約６０パーセントがα相（明るい領域）であり約４０パーセントがβ相（暗い領域）であることを示す。これとは著しく異なるのが、本明細書で提示される銅合金であり、即ち、大半が又は更にほぼ完全に単相β相を持つ（図２Ｂの暗い領域を参照）。

下記の銅合金（Ｍ６０）は特に、比較例として使用することができ、その構造は図２Ａにも示される：

更に銅合金Ｍ６０は、最大で０．０２％にそれぞれ制限されている、リン（Ｐ）、マンガン（Ｍｎ）、ビスマス（Ｂｉ）、クロム（Ｃｒ）、硫黄（Ｓ）、マグネシウム（Ｍｇ）、及び／又はアンチモン（Ｓｂ）等のその他の元素の不可避の残留物（例えば、汚染物質）を、含有していてもよい。

本明細書で新たに提示された銅合金は、低い熱伝導度及びより低い融点を有し、衛生器具を製造するためのキャストプロセス及び付加製造プロセスに有利に適している。

１ 衛生器具
２ ハウジング
３ 吐出口
４ レバー

その内部を水が通って出口３に至ることができるハウジング２を備えた、衛生器具１を示す図である。 公知の銅合金のミクロ構造を示す図である。 本明細書に提示される銅合金のミクロ構造を示す図である。

Claims (10)

1. その元素が、下記の質量分率：
   － ４６％から５３．５％の銅（Ｃｕ）、
   － ０％超から１．０％のアルミニウム（Ａｌ）、
   － ０％から１．４０％の鉛（Ｐｂ）、
   － ０％超から０．２％の鉄（Ｆｅ）、
   － ０％超から０．４％のスズ（Ｓｎ）、
   － ０％から０．０００２％のホウ素（Ｂ）、
   － ０％から０．２％のヒ素（Ａｓ）、
   － 不可避の残留量のその他の元素、及び
   － 残部としての亜鉛（Ｚｎ）
   からなる、銅合金。
2. ０％超のホウ素を含む、請求項１に記載の銅合金。
3. 付加製造プロセス用の請求項１又は２に記載の銅合金。
4. ０．０２％から０．１５％のヒ素（Ａｓ）を有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の銅合金。
5. 粉末形態であり、５μｍから１５００μｍの粒径を有する、請求項１から４のいずれか一項に記載の銅合金。
6. ０．１％から０．９％のアルミニウムを含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の銅合金。
7. ０.０５％から０．０８％の鉄を含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の銅合金。
8. ０．１％から０．３％のスズを含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の銅合金。
9. 付加製造プロセスのための、請求項１から８のいずれか一項に記載の銅合金の使用。
10. その内部を水が通って吐出口（３）に至ることができるハウジング（２）を有する水栓金具を生産する方法であって、前記ハウジング（２）が、キャストプロセス又は付加製造プロセスによって、請求項１から８のいずれか一項に記載の銅合金で少なくとも部分的に製造される、方法。

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